Il meccanismo SN2: stato di transizione e inversione di Walden

La sostituzione nucleofila bimolecolare, o SN2, è una delle reazioni piu eleganti della chimica organica: in un solo atto concertato il nucleofilo attacca, il legame con il gruppo uscente si rompe e la geometria del carbonio si rovescia come un ombrello al vento. Da questa coreografia derivano la cinetica del secondo ordine e l’inversione di configurazione, due firme inconfondibili del meccanismo.

Vediamo come avviene l’attacco dorsale, che cos’e lo stato di transizione, perche la configurazione si inverte (l’inversione di Walden) e da dove nasce la legge cinetica del secondo ordine.

Una reazione in un solo stadio

Nella SN2 non esistono intermedi: la formazione del nuovo legame fra nucleofilo e carbonio e la rottura del legame con il gruppo uscente avvengono simultaneamente, in un unico passaggio concertato. Per un istante il carbonio centrale e legato a cinque gruppi: i tre sostituenti originari, il nucleofilo entrante e il gruppo uscente in partenza. Questo momento di massima energia e lo stato di transizione, dal quale il sistema scivola verso i prodotti senza fermarsi in alcuna specie isolabile.

L’attacco dorsale

Il nucleofilo non si avvicina da una parte qualsiasi: deve attaccare il carbonio dal lato opposto al gruppo uscente, cioe dal retro (attacco dorsale o «backside attack»). Il motivo e duplice. Da un lato, il gruppo uscente occupa con la sua nuvola elettronica il fronte della molecola e respinge il nucleofilo; dall’altro, l’orbitale che il nucleofilo deve riempire e l’antilegante σ* del legame carbonio-gruppo uscente, il cui lobo piu grande sporge proprio sul retro. Sovrapponendosi a quel lobo, il nucleofilo costruisce il nuovo legame mentre l’antilegante indebolisce e rompe quello vecchio.

Lo stato di transizione

Nello stato di transizione il carbonio centrale passa da una ibridazione sp³ a una geometria bipiramidale trigonale: i tre sostituenti che restano si dispongono su un piano, mentre nucleofilo e gruppo uscente stanno sui due vertici opposti, parzialmente legati. E una configurazione tesa e ad alta energia, che spiega perche l’ingombro sterico attorno al carbonio rallenti drasticamente la SN2. In questo istante il legame con il nucleofilo e formato solo a meta e quello con il gruppo uscente e gia rotto a meta: nessuno dei due e completo, ed e proprio questa simultaneita a definire il carattere concertato della reazione. La carica negativa che il nucleofilo portava e che il gruppo uscente si porta via risulta distribuita fra le due estremita dell’asse, e questo spiega perche solventi e sostituenti che stabilizzano una carica diffusa influenzino l’altezza della barriera.

L’inversione di Walden

Poiche il nucleofilo entra dal lato opposto al gruppo uscente, mentre la reazione procede i tre sostituenti residui si ribaltano dall’altra parte, esattamente come un ombrello rivoltato dal vento. Il risultato e l’inversione di configurazione al carbonio: se il centro era stereogenico, il prodotto ha la configurazione speculare rispetto al reagente. Questo fenomeno, noto come inversione di Walden, e la prova stereochimica del meccanismo SN2 ed e approfondito nell’articolo dedicato a substrato e stereochimica.

La cinetica del secondo ordine

Poiche nell’unico stadio della reazione partecipano contemporaneamente sia il substrato sia il nucleofilo, la velocita dipende dalla concentrazione di entrambi. La legge cinetica e del secondo ordine, da cui la sigla SN2 (sostituzione nucleofila bimolecolare).

v = k [substrato] [nucleofilo]  ·  cinetica del 2° ordine

Raddoppiare la concentrazione del nucleofilo raddoppia la velocita; lo stesso vale per il substrato. Questo comportamento distingue nettamente la SN2 dalla SN1, la cui velocita non dipende dal nucleofilo. La misura sperimentale dell’ordine di reazione e quindi uno strumento diagnostico per riconoscere il meccanismo in atto.

Perche conta nella pratica

La SN2 e il cavallo di battaglia della sintesi organica per costruire legami carbonio-eteroatomo in modo controllato: formazione di eteri, esteri, ammine, nitrili e tioeteri passa spesso per questo meccanismo. Conoscere le sue tre firme — attacco dorsale, inversione di configurazione e cinetica del secondo ordine — permette di prevedere se una reazione seguira questa via e con quale stereochimica, scegliendo nucleofilo, substrato e solvente adatti per ottenere il prodotto desiderato con la configurazione voluta.

Domande frequenti

Che cosa significa la sigla SN2?

Significa sostituzione nucleofila bimolecolare. «Sostituzione nucleofila» indica che un nucleofilo rimpiazza un gruppo uscente su un carbonio; «bimolecolare» indica che nello stadio determinante la velocita partecipano due specie, il substrato e il nucleofilo. Da qui la cinetica del secondo ordine, v = k[substrato][nucleofilo], che e una delle firme distintive del meccanismo.

Perche il nucleofilo attacca dal lato opposto al gruppo uscente?

Per due ragioni. Primo, il gruppo uscente con la sua densita elettronica respinge il nucleofilo dal lato anteriore. Secondo, l’orbitale che il nucleofilo deve riempire e l’antilegante σ* del legame carbonio-gruppo uscente, il cui lobo maggiore sporge sul retro: la sovrapposizione ottimale avviene proprio dal lato dorsale. Per questo l’attacco e sempre dorsale.

Che cos’e l’inversione di Walden?

E l’inversione della configurazione al carbonio che avviene in ogni SN2: poiche il nucleofilo entra dal retro, i tre sostituenti residui si ribaltano dall’altra parte come un ombrello rovesciato. Se il carbonio e stereogenico, il prodotto ha configurazione speculare rispetto al reagente. E la prova stereochimica che la reazione e avvenuta con meccanismo SN2.

Perche la SN2 ha cinetica del secondo ordine?

Perche la reazione avviene in un unico stadio concertato in cui sono coinvolti contemporaneamente sia il substrato sia il nucleofilo. La velocita dipende quindi dalla concentrazione di entrambi: v = k[substrato][nucleofilo]. Raddoppiando la concentrazione di uno qualsiasi dei due, la velocita raddoppia. Questo distingue la SN2 dalla SN1, la cui velocita non dipende dal nucleofilo.

Quali condizioni favoriscono il meccanismo SN2?

Nucleofili forti e concentrati, substrati poco ingombrati (metilici e primari, in misura minore secondari) e solventi aprotici polari come DMSO, DMF o acetone, che solvatano i cationi ma lasciano libero e reattivo il nucleofilo. L’ingombro sterico attorno al carbonio e il principale ostacolo: i substrati terziari non danno SN2 perche lo stato di transizione penta-coordinato sarebbe troppo affollato.